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BIPV幕墙火灾行为研究：16次实验揭示的热破裂、脱落与火势反馈机制
发布时间：
2026-07-27 00:00
BIPV幕墙火灾行为研究：16次实验揭示的热破裂、脱落与火势反馈机制
随着“双碳”目标的推进，建筑一体化光伏（BIPV）幕墙正成为绿色建筑的新宠，它将发电与建筑外观融为一体，既美观又节能。然而，当火灾发生时，这些集成了光伏组件的幕墙会表现出怎样的行为？是否会比传统玻璃幕墙更危险？近期，一篇发表于《Journal of Building Engineering》的论文——《Large-scale experimental study of thermal performance of building-integrated photovoltaic façade in an enclosure fire》，通过16次大规模火灾实验，系统揭示了BIPV幕墙在受限空间火灾中的热破裂、脱落行为及其对火势发展的反馈效应。本文将为您提炼该研究的核心发现，帮助从业者和公众了解BIPV幕墙的火灾风险与设计要点。一、引言BIPV幕墙近年来发展迅猛，全球市场预计2033年将达到1236亿美元，而幕墙正是BIPV系统最主要的安装位置，典型案例如青岛零碳建筑、美国1428 Brickell等。与此同时，光伏火灾事故也日益频发，英国2023年光伏火灾数量已是十年前的六倍。BIPV幕墙的火灾风险具有特殊性：其内部含有可燃的封装材料（如PVB/EVA薄膜）和TPT背板，这些材料在火源熄灭后仍可能自持燃烧；光伏板中的玻璃受热会破裂、脱落，不仅形成新通风口加剧火势，掉落的碎片还可能伤人、阻塞逃生通道；此外，火势可以沿幕墙水平和垂直方向三维蔓延，大大增加了灭火难度。本研究通过大规模实验比较了不同类型光伏幕墙与传统玻璃幕墙的火灾行为，记录了破裂时间、温度、热通量、热释放率等关键参数，旨在为BIPV幕墙的消防设计提供科学依据。
图1. 典型的光伏与玻璃幕墙。(a) CdTe幕墙；(b) 双层玻璃晶体硅光伏幕墙；(c) 日本Solar Ark（部分采用单层玻璃晶体硅光伏板）；(d) 玻璃幕墙。二、材料与方法1、实验装置：不锈钢受限空间（1.4m×1.4m×1.8m），内部衬有陶瓷纤维保温。开放侧安装两块600×600 mm的光伏板（模拟幕墙），下方两个600×600 mm通风口。2、火源：6 L正庚烷（heptane）置于油盘，每次实验重复两次。3、测量系统：
- 42个热电偶测量室内温度，20个热电偶测量光伏板两侧表面温度。
- 热通量计测量总热通量与辐射热通量。
- 质量损失天平、集烟罩（耗氧法测热释放率）、数码相机记录。
4、测试样品（共8种案例 + 2种对照）：研究共测试了8种实验案例和2种对照案例：包括双层碲化镉（退火玻璃或背板钢化）、双层晶体硅（退火或全钢化）、单层晶体硅（退火或钢化，带TPT背板）、单层纯退火玻璃、单层纯钢化玻璃，以及完全无面板的全开口对照和安装防火板的半开放对照。
图2. (a) 实验装置；(b) 热通量计布置图；(c) 受限空间内及光伏板火侧与环境侧的热电偶布置图。
图3. (a) 案例1测试1和2的热释放率；(b) 案例1测试1和2的平均受限空间温度（距天花板10 cm处）。
图4. 点火前的实验场景及测试样品的结构。三、结果与讨论3.1 破裂时间与断裂行为研究发现，光伏板破裂后，内部的可燃层（PVB/EVA）会持续自燃，即使火源已熄灭，这些材料仍会继续燃烧并掉落燃烧碎片，极易引燃周围建筑物件。在破裂时间方面，退火玻璃光伏板的首次破裂时间一般出现在67至80秒之间，钢化玻璃光伏板为189至223秒，这是因为钢化玻璃表面压应力层有效抑制了裂纹的萌生和扩展。双层能有效延迟大面积通风口出现的时间，尤其是在全钢化配置下，比单层结构晚了约66秒。值得注意的是，退火玻璃光伏板破裂后并不会立即脱落，而是软化、变形，被粘结层“悬挂”在表面；随着火焰喷出加剧才整体掉落；而钢化玻璃光伏板破裂后则迅速碎成小片脱落。
图5. 双层光伏模块的火灾行为。(a) 案例1测试2；(b) 案例2测试2；(c) 案例3测试2；(d) 案例4测试2。
图6. 实验现象。(a) 燃烧碎片掉落地面；(b) 左侧CdTe光伏板A内层玻璃脱落（案例1测试2）；(c) 软化的光伏板（案例3测试2）。
图7. 单层玻璃光伏模块的火灾行为。(a) 案例5测试1；(b) 案例6测试2；(c) 案例7测试1；(d) 案例8测试1。3.2 破裂时间与温差热应力是导致光伏板玻璃破裂的主要原因。研究者定义了光伏板火侧与背侧之间的温差，并统计了破裂瞬间的临界温差。结果显示，对于退火玻璃光伏板（无论单层还是双层结构），平均临界温差范围为35至59摄氏度；而对于钢化玻璃光伏板，该值显著升高至207至273摄氏度，即需要更大的温差才能引起破裂。单层纯玻璃（无光伏层）的临界温差略低于单层光伏板，因为光伏板中的封装层提供了额外的约束作用。在双层光伏板中，外层玻璃（尤其是退火TCO玻璃）通常在较低温差下就发生破裂，而内层玻璃破裂时的温差更高。这些数据为判断光伏板在火灾中的失效提供了定量指标。3.3 幕墙脱落对受限空间火灾的影响
- 热释放率变化：
热释放率的变化分为三个阶段：快速增长、稳定燃烧和衰减。在脱落发生前，火势主要局限在室内，热释放率增长缓慢；一旦光伏板脱落，新形成的通风口引入大量新鲜空气，引发强烈的火焰喷出，热释放率急剧上升。有趣的是，完全无面板的全开口对照实验由于烟气层不充分、辐射反馈较弱，火灾发展反而比部分脱落的案例更慢。
- 室内温度两阶段特征：
第一阶段（大面积开口形成前）温度增长速度由快转慢，甚至在部分案例中出现平台期；第二阶段（开口形成后）温度急剧飙升。案例2中的最高温度接近1100摄氏度，比通风固定的对照2高出32.6%。此外，面板脱落还会瞬间改变受限空间内的压力分布和温度场：以案例4为例，右侧面板脱落后，靠近开口处测点的无量纲温度立即上升了9.4%，而相对侧的测点由于火焰偏转而温度下降，说明在短短几秒内热环境发生了显著重构。
- 热通量：
在光伏板脱落前，辐射热通量占比仅约8%，主要热传递方式为对流和传导；脱落后的总热通量可达120千瓦每平方米，而触发脱落的关键总热通量范围在70至90千瓦每平方米。值得注意的是，晶体硅光伏板因太阳能电池的遮挡，其透射热通量相对较低，但底部火焰上卷加热仍然是重要的热源。更重要的是，光伏幕墙脱落后的最大总热通量甚至超过了完全开放状态下的对照1，表明“突然开窗”的效应比一直开窗更为危险。
图8. 不同案例的热释放率变化。(a) 案例2测试1；(b) 案例4测试1。
图9. 不同案例的受限空间温度（距天花板10 cm）变化。(a) 案例1测试1；(b) 案例2测试1；(c) 案例3测试1；(d) 案例4测试1；(e) 受限空间俯视图；(f) 受限空间左视图。
图10. 不同案例的平均温度（距天花板10 cm处）。
图11. 第一次脱落期间的无量纲温度。(a) 案例4测试1；(b) 案例4脱落瞬间。
图12. 受限空间及面板的实测热通量。(a) 案例1测试1；(b) 案例2测试1；(c) 案例4测试2；(d) 案例6测试1；(e) 对照1；(f) 对照2。四、结论：BIPV幕墙防火设计的核心要点BIPV幕墙的火灾行为远比传统玻璃幕墙复杂，不仅涉及玻璃的热破裂与脱落，还包含内部可燃封装材料的熔融、燃烧乃至自持燃烧。火源熄灭后，中间层仍可能持续燃烧，掉落的燃烧碎片极易引燃其他楼层的可燃物。玻璃类型是决定防火性能的第一关键因素：钢化玻璃光伏板的首次破裂时间延迟2到3倍，但破裂后会迅速脱落；退火玻璃光伏板虽然破裂快，但软化变形、不立即脱落的特性反而会延迟大面积通风口的形成。定量上，退火玻璃光伏板的临界温差为35至59摄氏度，钢化玻璃光伏板则为207至273摄氏度，设计时应优先选用钢化玻璃。幕墙脱落会剧烈改变火灾动力学：新开口引发火焰喷出，热释放率和热通量飙升，室内温度经历“先缓后急”的两阶段上升，峰值温度远超无脱落对照。在本次测试的所有配置中，双层钢化玻璃光伏板表现出最佳的结构完整性和防火性能，能有效抑制新通风口的形成，是更安全的工程选择。同时，必须警惕可燃背板和封装膜带来的额外火灾荷载。未来的BIPV幕墙设计应将玻璃耐热性、封装材料阻燃性以及通风突变效应纳入消防策略，为相关标准修订和工程实践提供科学参考。
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